交换式电源供应器概念简述

＊課程內容：(一).交換式電源（以下簡稱SMPS）之用途(二).SMPS常用之架構和種類(三).常見之規格內容及名詞解釋(四).如何設計SMPS及成本考量(五).SMPS 製造流程(六).SMPS 測試設備1.SMPS之用途：我們先以日常生活中會用到的電器用品來說明，清早起來打開電子式日光燈或電子式檯燈，刷牙時，充電式電動牙刷之充電器，用遙控器打開電視機看新聞，用電磁爐或微波爐加熱早餐，出門搭電梯下樓，進入辦公室時，放眼望去每一種需插電的事務機器，電話、傳真。

，大致可以說需用到電的產品，就是SMPS的可能用途。

所需的規格要求及線路架構則隨使用場所，價格上會有極大差異。

以一般我們選用的電子零件，其溫度範圍就可分為：●商業用（ 0 ～ 70 ℃）●工業用 (-25 ～ 125 ℃)●軍事用 (-40 ～ 125 ℃)而SMPS也會因為使用的周圍環境溫度範圍，而區分不同的等級：●商業用（ 0 ～ 40 ℃）------ 一般日常生活所接觸到的電器用品，如電腦、影印機所使用者●工業用 (-20 ～ 71 ℃) ------ 工業產品所使用的POWER，如SMD機器、CNC機器中的POWER即是●軍事用 (-40 ～ 125 ℃) ------ 軍事用途，如飛彈、戰艦、坦克中所用到的POWER不同的溫度範圍，所選用的零件就不相同，其價格當然也不同2.SMPS 常用之架構和種類：2.1.依輸出 / 輸入使用的電壓高低可分為：（適用於非隔離的環境＊）＊所謂非隔離的環境：如同下列所提的環境，都是自己形成一個系統，輸入與輸出共地，不會與其他的系統連線，而且接地良好，不會對使用者有漏電的危險，例如其中所提的系統輸入都屬於低電壓輸入，而且使用者接觸的機殼都是接地（GROUND），沒有被電到的危險。

(a).降壓式 (Buck) : 輸入比輸出高 ,例如卡車之車用冰箱中的POWER將24V轉12VFig. 2-1(b).升壓式 (Boost) : 輸入比輸出低，例如電擊棒將電池電壓9V升高為1000VFig. 2-2(c).降升壓式 (Buck-Boost) : 輸入比輸出低或高 ,例如汽車充電器充筆記型電腦19V電池，而汽車電池有轎車12V及卡車24V兩種Fig. 2-3（線路動作原理請參見相關SMPS基本原理說明）2.2.一般常用架構可分為：(適用於需隔離的環境＊)＊所謂需隔離的環境：用專業術語來說就是──輸入與輸出不共地，例如帛漢的DC／DC使用於網路卡，而網路連線就是一個典型的隔離環境，因為兩部電腦的輸入接地不一定相同（插頭不一定插同一方向），如果使用非隔離的電源，將會天下大亂，而且會有因兩部電腦地的電位不同，造成兩部電腦間大電流流動，而使保險絲燒毀。

(a).自激式 (Free Running) ： 0.5W ～ 50W自激式一般稱為RCC線路，是返馳式的其中一種架構，其震盪頻率隨負載而變：輕載時振盪頻率高，重載時震盪頻率低。

(b).返馳式 (Fly-Back) : 3W ～ 200W在此將其定義為常見的定頻式PWM（脈波寬度調變式）架構，其脈波寬度隨負載而變：輕載時脈波寬度窄，重載時脈波寬度寬。

能量轉移是靠N-MOSQ1 ON時先存於主變壓器T1的GAP中, N-MOS Q1 OFF時，主變壓器的能量，經由D1傳到輸出電容C1。

而Rs則是用來偵測輸出瓦數，達到保護的目的。

Fig. 2-4(c).前饋式 (Forward) ： 60W ～ 300W前饋式 (Forward) 的動作原理與返馳式 (Fly-Back) 接近，唯其能量是於Q1 ON時先經由D1存於CHOKE L1中（T1沒有GAP），Q1 OFF時，L1的能量經由D2傳到輸出電容C1。

注意T1 的磁滯曲線只在第一相限活動。

Fig. 2-5(d).推挽式 (Push-Pull) ： 150W ～600W (Half-Bridge)600W 以上 (Half-Bridge)推挽式 (Push-Pull) 的動作原理則又與前饋式 (Forward) 接近，只是T1的磁滯曲線則在第1 ＆ 3相限活動。

Fig. 2-62.3.一般種類可分為：(a).AC to DC ( Adapter ) : 常用於日常生活中，如計算機、筆記型電腦、無線電話機、充電器…(b).DC to AC ( Inverter ) : 如筆記型電腦中背光板燈管用電源(c).DC to DC ( Converter ) : 如帛漢現有產品5V轉 9V(d).AC to AC ( Converter ) : 如變頻器、電子式安定器……3.常見之規格內容及名詞解釋：一般規格區分為以下內容：● AC 或 DC 輸入要求……………………………….………….(3.1).● AC 或 DC 輸出要求………………………………………....(3.2).●異常使用保護 (Protection) ……………………………….(3.3).●操作環境要求 (Operation Environment) ………………..(3.4).● Safety(安規)及各國國家標準……………………………….(3.5).● EMI Conduction (電磁傳導) & Radiation（電磁輻射）…(3.6).● MTBF (Mean Time Before Failure) 可靠度要求………….(3.7).●機構…………………………………………………………..(3.8).●名詞解釋……………………………………………………. (3.9).現分述如下：3.1.AC 或 DC 輸入要求 :(a). Input Voltage Range : 輸入電壓範圍（V），最低～最高，例如：台灣、美國為90～135 Vac ,歐洲、大陸則為180～264 Vac .若為Universal 則為90～264Vac。

(b). Input Frequency : 輸入AC電源的頻率（Hz），視各國發電機系統而定，例如：日本為50Hz ,台灣為60Hz，歐洲、大陸為50Hz。

(c). Inrush Current : 輸入突波電流（A），指開機瞬間或剛插插頭時，流過電源線的尖波電流，通常於冷開機狀態下測得為標準。

造成的原因是SMPS輸入端有電容，開機瞬間電容需要充電而形成類似短路，於是產生尖波電流，需要於輸入回路加入熱敏電阻予以限制，否則會造成斷路器跳脫。

一般要求：115Vac時＝30A Max. ,而230Vac時＝60A Max.。

(d). Max. Input Current : 最大輸入電流（A），出現於最低輸入電壓時，通常加入10 ％誤差。

算法為：Max. Input Current (A) =輸出瓦數X 100 % Vin Min. * Efficiency * Cosθ * 0.9* 該電流值被要求寫在LABEL上。

(e). Input Efficiency : 輸入效率（％），例如：輸出瓦數＝5W, 輸入瓦數＝10W,則效率＝5／10，即為50 ％。

Input Efficiency (%) = 輸出瓦數X 100 % 輸入瓦數＊輸入瓦數係從瓦特表讀到的實功率值，不含功率因數的虛功率（Cosθ）(f). AC Input Power Factor : 交流功率因數（Cosθ），表示輸入電壓與電流的相位差，一般SMPS的輸入阻抗為電容性（因輸入有一個大電容），電壓波形將落後電流波形，而馬達類產品則呈現電感性，電壓波形將超前電流波形；這種使電壓與電流不同相位，將對發電廠造成虛功率，其值的大小為該相位差角度取Cos值，例如：有一部SMPS使AC輸入電壓波形落後電流波形45°，則Cosθ＝0.707,表示若發電廠供應100瓦交流電力（電表讀到）給該SMPS，則實際功率只有70.7瓦，如果該SMPS的效率為50％，則輸出端得到的功率輸出為35.35瓦，意思就是說當我們於該SMPS輸出端負載35.35瓦，對發電廠來說是100瓦的負載（電表讀到）。

而一般未加功率因數補償的SMPS，在AC 115V時Cosθ＝0.6 ,AC 230V時Cosθ＝0.5 ,甚至更低，不難想像為何歐洲要要求SMPS加入功率因數補償線路。

附註：功率因數補償線路分為主動式（Active）與被動式 (Pasive)，主動式的Cosθ＝0.9 Min.,而被動式的Cosθ＝0.7 Typ.3.2.AC 或 DC 輸出要求 :(a). Output Accuracy : 輸出電壓容許誤差值（％），一般為5％，輸出電壓簡稱 Vo(b). Max. Load : 最大輸出負載電流（A），亦即為該SMPS設計的最大輸出瓦數，因為P ＝ V＊I，例如：一部5V的SMPS，標示最大輸出負載電流 Io ＝ 2A,即表示最大持續輸出瓦數＝10W.(c). Min. Load : 最小輸出負載電流（A），標示最小的輸出負載電流，表示該SMPS為維持輸出電壓穩定，所需的最小輸出電流，Adapter的Min. Load為0 A.(d). Peak Load : 短時間輸出負載電流（A），簡稱：Ipeak，表示該SMPS可允許短時間的輸出負載電流，通常時間為30秒，而負載為Max. Load的1.2～1.5倍，視負載的產品而不同。

例如傳真機Ipeak為Io的5倍左右，External Hard Disk 為1.4倍左右。

(e). Output Ripple : 漣波（mV），由於SMPS本身是靠連續不停的振盪，有一個基本震盪頻率，每一個週期都有ON與OFF，輸出電容不停的充放電，於是輸出電壓上就重疊著一個交流的成分，稱為漣波。

該漣波隨負載大小而變,一般為輸出電壓值的1％，例如：5V輸出時，漣波規格為50mV Max.(f). Output Noise : 雜訊（mV），以前面SMPS架構中的Fly-Back為例，可以看到初級端有MOS Q1，次極端有Diode D1, 在每一個週期ON／OFF時，由於半導體的特性，當打開或關閉時，都會有上升與下降的時間延遲，而在ON／OFF轉態時，MOS Q1與Diode D1會有一極短暫的時間是同時ON，此時就電路而言會產生很大的電流通過Q1、D1，於是在輸出電壓上產生雜訊，這同時也是EMI不良的兇手，一般的SMPS很難克服這問題，都是靠輸出端再串一級L─C濾波（參見方塊圖），而且規範測試時，示波器頻寬要小於20 MHz,並且需要並聯電容，這實在是不得已的。

(g). Hold-Up Time : 維持時間（mS），當AC輸入電壓OFF（關機、停電）時，輸出電壓維持正常的持續時間，通常標示為20 mS / @ 115Vac,60Hz Full Load ,該值是由輸入電容與變壓器的圈比來決定，電容越大維持時間越長。